原子鐘基于可能處于兩種可能能量狀態(tài)之一的原子系統(tǒng)。準(zhǔn)備好一組處于一種狀態(tài)的原子，然后進(jìn)行微波輻射。如果輻射的頻率正確，許多原子將轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N能態(tài)。頻率越接近原子的固有振蕩頻率，越多的原子將切換狀態(tài)。這允許非常準(zhǔn)確地調(diào)諧微波輻射的頻率。一旦將微波輻射調(diào)整到已知頻率，它就可以用作計(jì)時(shí)振蕩器來測(cè)量經(jīng)過的時(shí)間。

少數(shù)國家計(jì)量實(shí)驗(yàn)室，如LNE SYRTE、PTB、NIST、JILA、NPL和VNIIFTRI以極高的精度實(shí)現(xiàn)時(shí)間。他們通過設(shè)計(jì)和構(gòu)建頻率標(biāo)準(zhǔn)來做到這一點(diǎn)，該標(biāo)準(zhǔn)在與銫 133 的躍遷頻率的關(guān)系已知的頻率下產(chǎn)生電振蕩，以實(shí)現(xiàn)非常低的不確定性。這些主要頻率標(biāo)準(zhǔn)估計(jì)和校正各種頻率偏移，包括與原子運(yùn)動(dòng)、熱輻射相關(guān)的相對(duì)論多普勒偏移環(huán)境（黑體位移）和其他幾個(gè)因素。目前好的初級(jí)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生 SI 秒，其精度接近一個(gè)部分的不確定性10的16次冪。

需要注意的是，在這個(gè)級(jí)別的精度下，設(shè)備中引力場(chǎng)的差異是不容忽視的。然后在廣義相對(duì)論的框架內(nèi)考慮該標(biāo)準(zhǔn)，以在特定點(diǎn)提供適當(dāng)?shù)臅r(shí)間。

主要頻率標(biāo)準(zhǔn)可用于校準(zhǔn)國家實(shí)驗(yàn)室使用的其他時(shí)鐘的頻率。這些通常是商業(yè)銫鐘，具有非常好的長期頻率穩(wěn)定性，保持頻率穩(wěn)定性優(yōu)于 1 分之一。10的14次冪幾個(gè)月。主要標(biāo)準(zhǔn)頻率的不確定性約為10的13次冪。